板状结构可变边界热振耦合试验系统研制

彭富豪，吴乙万，白鸿柏，李上洲

(1.福州大学 金属橡胶工程研究中心，福州 350108; 2.福州大学 机械工程及自动化学院，福州 350108)

0 引言

板状结构在实际工程中被广泛应用，其工作环境温度范围较宽，如航空发动机设备安装基座(多个平板组成)工作温度可达上百度。设计此类板状结构应考虑温度的影响，对板状结构在不同环境下的热模态设计对改善板状结构振动水平、提高板状结构使用寿命有重要意义[1-5]。

有限元技术对结构在热环境下模态分析提供了一种新的思路。Bevins[6]建立飞行器蒙皮结构有限元模型，分析了热环境下结构受到声载荷激励产生的响应。Lee[7]运用有限元方法对碳纤维环氧加筋板结构在热环境下的振动性能进行研究。孙强[8]通过有限元技术对航空发动机叶片固有频率与温度的关系进行研究。李跃明[9]建立高超声速飞行器X-43A整机有限元模型，并对其在高温环境以及165dB声压作用下的振动特性进行分析。

有限元技术虽已得到了长足的发展，但针对某些特种材料的力学性能以及复杂结构的力学特性，有限元方法总会造成一定的误差，试验仍是一种可靠的手段。目前，板状结构热模态试验技术已较为成熟。吴大方等[10]基于石英灯阵加热技术对高速飞行器的翼舵进行热模态试验，获得翼舵25～1200℃范围内的模态频率参数，对于常温区域测量高温环境下结构振动信号的研制提供了试验支持。Jeon[11]使用非接触式激光测振方法对矩形平板开展自由-自由边界热模态试验，其单侧实现温度为500℃。McWithey等[12]针对X-15翼结构展开热模态试验技术的研究，翼面结构的主体温度为347℃，在模拟空气动力学加热的过程中，测量了五种固有频率模式发生改变，结果表明：高温下第一、二、六阶固有频率随温度的上升而下降，一阶扭转模态频率变化最大，下降幅度达5%，加热后丢失第三、五阶模态，四阶固有频率有所上升。

板状结构存在不同的边界条件(单/双/三/四边固支)，已有的研究所用方法无法满足不同边界下板状结构的热模态试验需要，因此，在已有研究的基础上研制一套低成本、可变边界板状结构高温振动耦合试验系统。首先，通过石英灯阵辐射加热以控制板状结构表面的温度；然后，通过设置可变边界板状结构测试工装，对搭建的振动试验平台进行振动测试；其次，使用细长陶瓷引伸棒将高温区域的板状结构振动信号传递到常温区域，使用耐高温陶瓷棒对板状结构在高温环境下进行振动激励，使用陶瓷引伸装置配合常温加速度传感器对高温环境下的板状结构进行加速度信号的拾取；最后，以45号钢板为例，测量其在室温下不同边界(单/双/三/四边固支)约束的模态参数以及500℃单边固支下45号钢板的高温模态参数。

1 高温模态试验系统结构及原理

图1为板状结构高温模态试验系统结构框图。该系统可分为硬件、软件两部分。试验系统各部分的功能如表1所示。

图1 高温模态试验系统结构框图

表1 高温振动试验系统各部分功能表

组成功能硬件部分机械部分加热模块对板状结构进行辐射加热悬挂工装使板状结构预压力一致变边界工装营造板状结构不同约束环境控制部分温度控制模块对板状结构温度环境模拟动态信号采集与分析系统对试验进行测试、数据分析控制计算机对板状结构信号进行监测激励部分激振器产生振动功率放大器放大电压信号传感部分动态力传感器测量激振力加速度传感器测量响应点的加速度信号温度传感器测量板状结构表面的温度软件部分LabVIEW温控程序采集并控制环境温度数据采集控制软件采集板状结构振动响应信号机械模态分析软件进行板状结构热模态分析

系统原理如下：根据高温模态试验系统搭建试验测试平台，首先，通过LabVIEW温控程序控制温度控制模块和加热模块对板状结构高温环境进行模拟；然后，通过激振器和功率放大器一起作用对板状结构进行振动激励，对板状结构振动环境进行模拟；其次，在数据采集控制软件上采集板状结构表面上的振动响应信号，在机械模态分析软件上对板状结构采集的数据信号进行热模态分析；最后，将试验数据进行存储和分析。

2 高温振动耦合试验系统设计

2.1 硬件部分

2.1.1 机械部分

1)加热模块:加热模块采用石英灯阵模拟板状结构热环境，每根石英灯长240 mm，功率500 W，石英灯安装在安装板上加以固定，灯间距离均为10 mm，使板状结构表面温度场快速形成，保证表面温度场的均匀性；石英灯与安装板之间放置由硅酸铝材料制成的隔热板，对石英灯阵发出的强辐射热进行隔热。

2)悬挂工装:悬挂工装由移动式龙门架、尼龙绳、伸缩挂钩和弹性绳组成。通过调整移动式龙门架使激振器能够激励板状结构任一位置，将尼龙绳一端固定于移动式龙门架，另一端垂直向下连接伸缩挂钩，伸缩挂钩另一端连接弹性绳，弹性绳通过连接4个304不锈钢制成的加长吊环螺栓对激振器进行悬挂。通过调整伸缩挂钩来调节激励器顶杆对板状结构的预压力，使每次试验测试时激振器对板状结构的预压力一致。

3)变边界工装:板状结构存在不同的边界条件(单/双/三/四边固支)，如图2所示。其四边固支约束的实物配套使用支撑梁和约束梁对板状结构每条边进行约束，使用螺栓进行固定，通过调整支撑梁与约束梁的数量实现板状结构的约束边界，实现板状结构的单边、双边、三边、四边固支安装。

图2 板状结构的边界约束方式示意图

支撑底座起支撑作用，放置在T型槽铸铁平台上；支撑圈梁起转接作用，使支撑梁能够根据不同的约束位置在支撑圈梁上进行调整。

2.1.2 控制部分

1)温度控制模块：温度控制模块如图3所示，包括温度信号拾取子模块和加热控制子模块两部分。提供了一种低成本、精确测量温度的方法，可测温度范围为-200～1250 ℃。由于测试温度较高，为防止铝合金箱体内电器元件发热严重，安装进排气风扇。

图3 温度控制模块示意图

图4 LabVIEW温控程序

多功能数据采集器利用NI-USB-6002采集卡完成温度传感器信号采集与驱动信号输出工作，实现温度数据采集与驱动加热控制，使用K型热电偶温度传感器对板状结构温度信号进行采集，温度变送器对采集的板状结构表面的温度信号进行放大。固态继电器可以将低压直流电信号用于控制220 V交流电，为实现固态继电器的控制，设计有功率放大电路子模块。

2)动态数据采集与分析系统:动态信号采集与分析系统采用武汉优泰电子技术有限公司生产的uT8916FRS-DY同步采集系统，其有2路函数输出信号和16位DA输出信号源，可输出电压、电荷、ICP和应变信号。

3)控制计算机:使用控制计算机对实验全过程进行监测与控制。控制计算机与动态数据采集与分析系统、温度控制模块通过TCP/IP通讯方式进行数据交互。

2.1.3 激励部分

1)激振器:激振器的作用是使用状结构产生振动，采用扬州一轩电子技术有限公司生产的电动式激振器JZQ-50，其最大激振力为500 N，频率范围为10～2 000 Hz。

2)功率放大器:功率放大器的作用是将信号发生器输出的相当弱小的电压信号进行放大，供给激振器一定的电流，推动激振器工作，采用杭州亿恒科技有限公司生产的E5878功率放大器，其最大输出功率为1500 VA,信噪比大于90 dB。

2.1.4 传感部分

1)动态力传感器:动态力传感器用于测量激振力，选用扬州一轩电子技术有限公司生产的YD-303压电型石英力传感器，其测量范围为±2 KN,电荷灵敏度为3.08 pC/N,工作温度范围为-40～150 ℃。

2)加速度传感器:加速度传感器用于测量板状结构表面的振动响应信号，选用江苏东华测试技术股份有限公司生产的IEPE压电式加速度传感器，其抗干扰性好，可与长导线使用，灵敏度为10.36 mV/g,测量范围为±500 g,工作温度范围为-40～+120 ℃。

3)温度传感器:温度传感器用于测量板状结构表面的温度，选用由镍铬-镍硅材料制成的K型热电偶温度传感器，其温度测量范围为-200～1 250 ℃。温度传感器为直径6 mm的圆丝，适用于板状结构在宽温域下热振耦合试验。

2.2 软件部分

系统软件设计部分包括LabVIEW温控程序、数据采集控制软件、机械模态分析软件三部分。

2.2.1 LabVIEW温控程序

LabVIEW温控程序如图4所示，包括加热控制循环程序和恒温控制循环程序。为保证板状结构在可调的温度环境下进行振动试验，采用模糊控制的方法进行控制。首先通过设置温度上限值对板状结构进行加热；然后通过温度下限值一起将温度调整在一个较小范围内来对板状结构表面温度进行温度范围调节，试验温度误差在3%左右；最后使温度信号拾取系统的温度与多功能数据采集器数字输出通道的温度对比进行恒温控制。

2.2.2 数据采集控制软件

数据采集控制流程如图5所示，为了采集板状结构表面上的振动响应信号，首先，创建一个工程文件，在数据采集控制软件上对信号发生器进行输出通道和信号类型进行选择，对信号的频率、幅值、时间周期进行参数设置；然后，对采集参数进行设置，将采样频率、触发参数、传感器的数值和单位进行标定；最后，对板状结构进行示波，待信号稳定后进行数据采集。

图5 数据采集控制流程图

2.2.3 机械模态分析软件

图6 模态分析流程图

机械模态分析流程如图6所示，为了对数据采集到的板状结构信号进行模态分析，首先，建立模态工程文件，对板状结构进行工程模型编辑；然后，将数据采集到的板状结构信号导入到机械模态分析软件中进行模态计算；其次，选择模态计算方法，对试验数据进行初始估计与整体数据拟合，并对模态阵型进行测量方向和约束方程进行处理，使模态振型归一；最后，对模态工程数据进行参数识别和模态验证，得到板状结构的模态参数，输出试验数据报告并进行存储。

3 变边界振动试验模态系统性能试验

以45钢作为测试样件进行试验，板结构的参数如表2所示。

表2 45钢参数

对45钢试件在室温下进行不同边界振动试验，以单边固支为例对45钢试件进行500 ℃高温振动耦合试验。

图7为所测试45钢板前三阶模态频率曲线，由图可知，单边约束下500℃的模态频率比室温均低，双边、三边和四边约束下前三阶模态频率相差不大。

图7 45钢板前三阶模态频率曲线

表3为所测试45钢板前三阶模态阵型，由图可知，不同约束边界模态阵型不一样，单边约束室温和500 ℃前三阶模态阵型一致。

4 结论

1)通过研制陶瓷引伸装置将高温环境下板状结构的振动信号引导出热场之外，实现在高达500 ℃的温度下进行板状结构高温模态参数的测量。

2)通过支撑梁与约束梁配套使用，研制了一套低成本、可变边界的板状结构测试工装。

3)对45号钢板进行不同边界进行测试，不同边界的模态阵型不一样，此外，45号钢板双边、三边和四边约束的模态频率相差不大。

表3 45钢板前三阶模态振型

4)对45钢板在单边约束下室温和500℃高温下进行振动测试，说明温度升高，45钢板的模态频率降低，而模态阵型基本一致。

经实际应用研制了一套低成本、可变边界板状结构高温振动耦合试验系统，该测试系统可为板状结构在变边界高温振动耦合环境下的安全设计提供参考依据。